海洋溢油调研

1、海上溢油调研 1 海洋溢油调研 严聿啥，何苗苗，超明，孔梦桐 （中国海洋大学 海洋环境学院2011级） 随着人类对海洋认识与应用的不断深入，海洋污染日益严峻。海洋溢油污染作为主要且常见的污染形式之一, 理应也已经引起人们足够重视。本文就溢油的危害、观测、预测与处理四方面展开调研。 1 .危害 1.1. 2.探测 海上溢油监测的手段大都利用传感器接受来自海面上的信息。 2.1传感器分类及特点 溢油监测传感器 优缺点 光学传 感器 可见光传感器 易受到水以外的其他背景信息的干扰，不宜黑 夜工作 红外传感器 不受光线的影响，可以在白天和夜间进行溢 油识别 紫外传感器 测量精准，但受诸多限制和外界以及

2、太空干扰 激光（荧光）传感器 主动式，干扰小，昼夜工作 微波传 感器 辐射计 全天候探测，分辨率低 雷达 全天候监控，水面过丁平静或过于粗糙都会影 响其效果 地磁能量吸收传感器 识别水槽中漂浮的油层，省电 2.2代表传感器简介 2.2.1辐射计 海上溢油调研 2 辐射计的监测原理为：水表面和油层表面均会发射微波辐射，油的微波发射率比水高（水的发射率为0. 4左右，而油的发射率为0. 8左右），辐射计能感受这种差异，并通过在图像上水和油的灰度不同 （水暗油 亮）显示出来。由于油膜的比辐射率随油膜的厚度变化而变化 ，在微波辐射计图像上体现为灰度值随油膜 的厚度变化而变化，所以微波辐射器理论上可以测

3、量油膜的厚度 do 接收相应频率的微波辐射功率，该功率的大小可用微波辐射计天线温度 Ta来表示。由于照射面比较 小，因此在主波束照射面内油膜厚度可看成是均匀的 ，即： ? TBO -T B屈一:-_- rjmb （1 Tsky To） ZTo = TA（-T AW 式中： TO为油和水的物理温度 ； TBW为水的亮度温度； TBO为覆盖在水面上油膜的亮度温度； Y mb为天线主波效率； Tsky为在镜面反射方向上的天空向下辐射的亮度温度； Ta为大线温度变化； TAO为油膜的大线温度； TAW为在溢油区外背景水的天线温度。 当8毫米微波辐射计对准某一水面溢油区扫描时可测得 Ta用某一入射角对准

4、天空，可测得相应的 Tsky天线的主波束效率Y mb是已知的，而TBW按经验公式求得，T。可现场测得，因此油、水亮度温度 TBO（A TBO=TBO-TBW得。 TBO是油膜厚度d的函数，根据实验室作出的油膜厚度 d与ATBO的变化曲 线（如下图），可将在动态条件下测得的方位角与大线温度的变化曲线转化为方位角与油膜厚度的变化曲线。 2.2.2光谱遥感 染遥感监测的研究 迄今，国内外利用卫星遥感技术监测海洋溢油已有许多成功的例子 这些工作分别利用微波或雷达图像 ，Landsat卫星的专题扫描仪（TM）图像和NOAA卫星的改进型高 分辨率辐射计（AVHRR）图像. 本文分析海上溢油波谱特征的测试结

5、果 ，结合几次海上溢油事故，利用AVHRR和TM资料对油膜图 像进行处理和解译，得到较为清晰的溢油图像，它与事故现场调查结果相吻合 . 2.2.1 海上溢油波谱特征 海上溢油波谱特征的测试分析是溢油污染遥感监测研究的基础性工作，研究发现 ，海上 油膜的波谱特征除受外部环境因素 （太阳高度角、海风、海流、海浪、海温和水色等 ）影响外，还与溢 油的种类和组成、油污和海水的融合度及化学反应程度等有直接关系。 1998年11月5日，大连海事大学卫星遥感研究室在大连湾外海进行了油膜波谱特征 测试试验， 试验波段为0. 389 1.040 Lm，主要为可见光波段（0. 4 0. 7 Lm），因此光谱测试仪

6、是 以接收目标物反射的自然光为媒介 ，反映不同种类、不同厚度的油膜与海水之间反射率的差 异.在海面溢油遥感图像上能否识别出油水 ，其反射强度的差别最为重要 .由于油膜是依附 于背景海水而存在的，油膜与背景海水间的反射率差异越大，则成像后遥感影像间的反差越 显著，从而识别出溢油. 结果如下:海上溢油调研 3 A/nm 表1 不同种类不同厚度油膜的反射率 （% ） 厚度 100 Lm 300 Lm 500 Lm 1000 Lm 1500 Lm 2000 Lm 2500 Lm 煤油 2. 50 3. 46 1. 88 1. 94 1.93 1.87 1.90 润滑油 1.62 1.48 1. 73

7、1. 92 3. 30 2. 19 2. 60 轻柴油 1. 75 1. 94 2. 20 2. 12 1.69 1.78 1.62 重柴油 1.47 0. 63 0. 62 0. 60 0. 59 0. 56 0. 55 实验表明： 1四种油膜最大反射率均出现在 0. 50 0. 58 Lm波谱段内 2膜反射率的大小与油膜厚度有关 .其中轻油种（如 煤油、润滑油、轻柴油 的反射率首先随油膜厚度的增加而增加 ，达到极大值后又随油膜厚度的增加而降低 . 重柴油厚度越薄，反射率越大，随着油膜厚度的增加反射率降低 . 解释： 粘稠的油膜与水体比较是更亮还是更暗 ，主要取决于油膜对阳光是强吸收 （亮）

8、或弱吸收（暗） 越薄的油膜在水体中不产生热差信息，因此薄油膜对热红外是不可见的，尤其是轻油种. 对于轻油类，油膜厚度小于最大反射率对应的厚度 ，它的低辐射率产生较低的表面红外温度 ，从而使 油膜温度低于海水；随着油膜厚度增加，反射率降低，而吸收太阳辐射增加，油膜的温度会高于海水温度. 对于重油类，随着油膜厚度的增加，辐射增强，在阳光充足的白天，厚油膜的温度会比海水高；而在晴 夜，由于厚油膜释放热量比海水快，油膜温度要比海水低一些. 应用： 从水体的 吸收光谱分布图像得知，在可见光波谱段，水体的吸收最小，即透过率最大.由此，通过分 析水体和油膜的吸收光谱，可以分辨出海水和油膜. 综上，良好光照条

9、件下，可见光波谱段，可探测薄油膜，特别是轻油膜。 热红外光谱用于探测厚油膜。全天候。 海上溢油调研 4 实际应用： 1)N O A A极轨卫星 A V HRR 设有五个通道，拍摄可见光和红外图像，局地分辨率为 1. 1 k m. 1通道(0. 58 0. 68 Lm)位于可见光谱区的黄红波段 ，在良好的光照条件下，利用油膜 的反射特性 探测溢油，但只能对轻类油种的薄油膜起作用 .2通道(0. 725 1. 10 Lm )处于近红外波段，来自油膜对 阳光的反射成分仍大于辐射成分 ，1、2通道合成可以探测薄油膜. 3通道(3.55 3.93 Lm)处于中红外波段，对温度的灵敏度高，多用于夜间温度的

10、观测， 4通道(10. 3 11.3 Lm )和5通道(11 . 5 12. 5 Lm)处于热红外波段，常用于探测海表面温度，可 以根据厚油膜与背景海水温度的差异分辨出溢油 2)Landsat 卫星 T M 设有7个通道，局地分辨率均为 3 0m，它用16天时间对地球观测一遍. 1通道(0.45 0. 52 Lm)、2通道(0. 52 0. 6 0 Lm )和3通道(0.63 0. 69 Lm)均位于可见光谱 区，可以探测到较薄油膜形成的反射信息。 4通道(0.76 0.90 Lm )近红外，5通道(1 .55 1.75 Lm)和7通道(2. 0 8 2.35 Lm)短波红外， 合起来又叫反射

11、红外，原因是在这个波段 内，来自太阳光的反射成分大于油膜的辐射成分 ，多用于探测薄 油膜. 6通道(10. 4 12.5Lm)处于热红外波段，利用油层与背景海水之间的温度的差异 ，可以探测重油类 和厚油层. 3.关于海面溢油扩散的计算方法 探讨溢油的迁移扩散运动规律，分析扩散机理非常重要。 海面溢油的迁移扩散十分复杂如油品的比重、运动粘度、流动点等内在因素以及溢油处的海洋条件和 气象条件：风浪、潮流、潮汐、迳流、水深、温度等外界因素。 本文在探讨溢油迁移变化规律时 ，拟不考虑油中较轻成分的蒸发、可溶成分的溶解及生物降解等自然 净化所引起的变化，只计风、潮流、迳流等因素对溢油迁移扩散的影响。 简

12、单介绍一下溢油点源扩散的机理，有关的扩散模式及计算方法. 3.1点源扩散机理及计算模式。 即以自由状态下的油的点源瞬间扩散作为油污染源扩散的最基本形式。 由实验得知，静水水面上有限量的油在扩散过程中受重力、表面张力、惯性力和粘滞力 场作用。 1重力作用是向下的，但由于油与周围水之间产生了不平衡的压力分布 ，因而引起了浮油层向四周扩 散。 2油膜前沿存在着水一空气间的表面张力与油一空气、油一水间的表面张力的不平衡 .也迫使油向外 扩散。 3油膜的性力以及油膜扩散时所拖曳的一薄层水的粘滞力。5 海上溢油调研 重力与水的表面张力是导致油扩散的二个主要作用力。 水的粘滞力是阻止扩散的作用力。 扩散三阶

13、段 1第一阶段，重力占优势，油膜因其势能和运动能的作用在水面上急速扩散。 而阻止扩散的主要力是惯 性力。即该阶段为重力和惯性力所控制 ,称为惯性扩散。 2第二阶段，经过一定时间后.油层厚度减小.势能和动能逐步减弱.油层惯性力也减小，这时，油层 厚度减小.势能和动能逐步减弱.油层惯性力也减小，因而该阶段油的势能和水的粘性抵抗力成为主要因素 即重力一粘滞力状态.称粘性扩散。 3第三阶段，随着油势能进一步消耗减小.油膜扩散范围增大，表面张力为主要影响因素，粘滞力为主 要阻力，称表面张力扩散。 每个阶段的扩散尺度都是时问 t、溢油体积和油水物理性质的函数。这几个阶段的扩散规律如下所示。 一维油液孕.

14、T板琳二二方向辖对再扩敞、 R - U 刑 Wi1 1 R - I,侮Mgv% m/vk七 1 也 关于溢油点源连续扩散规律国内外有些作者也作了一些探讨。实验表明连续溢油在静止 水面上的扩散仍然存在重力一惯性力、重力一粘滞力、表面张力一粘滞力为主的三个阶段。 同时也得到了各阶段扩散尺度与连续溢油量 Q、时间t的关系式。结果如下. 慨性扩慨性扩敝阶段敝阶段I 1 = L35（ Ag）1/1 粘性扩散粘性扩散阶段：阶段：1 = 1. |（1- 表面张力扩散阶段表面张力扩散阶段; ;【二二队队4时时町町 式中：。为单位时间连绒溢油式中：。为单位时间连绒溢油 冲冲.g.g 力力油油和水的密度和水的密度

15、. .u为表面张力系数为表面张力系数 - -为水的蔚粘滞系数为水的蔚粘滞系数 连续溢油和瞬间溢油在第三阶段的扩散关系是一样的 ，与溢油量均无关系。在静止水面 上连续溢油的扩散，很快自1阶段进入2阶段.长期处于2阶段，因而可按以重力和粘滞力为主要决定因 素的第二阶段扩散规律来计算。在恒定流水面上的连续溢油 .当水流紊动弱.对油扩散影响可以忽略不计 时，仍以第2阶段扩散为主。若单位时间溢油量为 Q，溢油口水流速度为 U，离溢油口的下游距离为 x，溢 油时间为t =x/ U，则扩散尺度为： 第一阶段 1 = （AgQxb 1 U 第二阶段 l=（AgQxf f I 第三阶段I二（。如.|）EU，）

16、3.2迁移扩散的计算 线性叠加计算为例： 溢油的扩散只在开始阶段才与时间有关 ， 历经数秒到数十秒.以后，油膜就不再扩大，只随风流和水流作迁移运动.呈带状或其他不规则形 2状，在波油膜的惯性力以及油膜扩散时所拖曳的一薄层 扩谶阶段 惯性0散阶段 牯性扩靛阶段 奁血雅力扩散阶以 -fit E油被-维方冏扩枷 1 = I -1, 1 p 1 1 6 海上溢油调研 浪或其他障碍物的冲击下，油膜被分割或粉碎成小块油膜分散开来了（海洋环境件 ）朝流、波浪、迳流等是 溢油迁移运动的外界因素。通常将风、潮流所引起的迁移运动简单地叠加在油于静水中的扩散运动下即油 膜在海流、海风、重力影响下不同时间不同位置时的

17、漂移速度为 v扩、v流、v风的矢量和。海流对油膜 漂移的影响是主要的，油膜大致沿海流方向作等速运动。油膜具有海流流速 V流。风在海面上朝着某一个 方向持续地吹，对表层海水产生剪切应力，导致海水运动，这种海流（风生流）对油膜漂移有一定的影响。 经许多学者研究指出,油膜漂移速度取为当地风速的 3.5%是比较适宜的。潮汐呈周期性水位变化 ,对溢 油迁移的影响较弱。波浪的影响也比较小。由于波浪的周期性 ，波浪产生的振动力一平均值为零 ，因而波 浪的影响也可以被忽略。虽然波浪不能使海水前进，但海水的上下跳动有利于分散油膜及微，量油溶解于海 水之中 综上所述,油膜的漂移速度为：V - vx + K VX

18、+ 扩，K为风力系数.3,5们 扩放半 漂移方向为 g 寸云云两-一油膜 漂移方向与流向夹角,小为风向与流向夹伯 4溢油处理 4.1漏油处理与持续时间的关系 在漏油事件发生后我们又有什么清理油污的技术手段呢？根据美国国家海洋局 2010年发布的海上 漏油事故应急指南 （Characteristics of Response Strategies:A Guide for Spill Response Planning in Marine Environments）,海上漏油事故发生后，应该根据漏油的种类、地点、方式、泄漏规模、轨迹、持续时间以 及近期的天气情况几个方面的具体情况采取应对措施， 同

19、时还要考虑到漏油事件影响的环境范围及影响程 度，如图所示。 漏油事故持续时间的长短，对补救措施的选择至关重要 ，应该根据漏油发展情况，适当选择方法处理漏油事 故。 谕哽段 补救策略 稳定 水上扩散 到达沿岸地带 物理方法 g e 人工出油，围油，吸附剂，机械除油，真 皿.叭土 人土 美闭阀门，修理 序口、出吸附剂，人工除油，机械除油 空吸油，拦油 径为R=JVdL扩散面税为s二 vdtdO油膜 0 7 海上溢油调研 化学方法 - 海岸线清洁剂，分散剂，孚L化液处理 尸山、士却 田d 地海序清洁剂，固化剂 剂，固化剂，集聚剂等 其它措施 - 就地燃烧 生物分解 垃圾处理 - f 航林样 f 后林

20、小 稳定化，回收，填埋，焚化，生物分 就地焚臧，回收，焚化 解 4.2处理方法 处理漏油有很多方法，围油法、分散剂法以及生物分解法作为物理，化学，生物三个领域的代表方法，在墨 西哥湾、大连以及渤海漏油事故中有很广泛的应用。 2.1物理方法 围油法是一种常见的漏油事故的应急处理手段，在墨西哥湾漏油事件，大连新港漏油事件，中海油渤 海湾油田漏油事件中都有采用。简单来说，围油法就是用围栏将漂浮在水面上的油圈起来，在防止其扩散 的同时，使用船只牵引，将其聚拢，方便下一步的漏油回收再利用。自渤海湾油田在 6月发生泄露以来， 通过拖船拖曳围油栏清理漏油的围油作业已持续至少 20天。围油法适用范围很广，但受天气因素的影响 比较大，能见度过低以及其他不佳气象条件都会限制除油工作的顺利进行。不过，围油法能最大限度的减 少除油作业对海洋生态环境的二次影响。 2.2化学方法 分散剂法是海上漏油事故中用得最多的一种方法， 其原理是降低油/水的界面张力，借助海浪的力量， 在